Untitled BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN PHÚ DUY SỬ DỤNG BISAR – GAs DỰ ÐOÁN MÔ ÐUN CBR CỦA ÐẤT NỀN CHO KẾT CẤU ÁO ÐƯỜNG NHỰA MỎNG[.]
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨNGUYỄN PHÚ DUY
SỬ DỤNG BISAR – GAs DỰ ÐỐN MƠ ÐUN CBR CỦA ÐẤTNỀN CHO KẾT CẤU ÁO ÐƯỜNG NHỰA MỎNG
NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNHDÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP - 2580208
Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2016
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN PHÚ DUY
SỬ DỤNG BISAR – GAs DỰ ĐỐN MƠ ĐUN CBR CỦA ĐẤT
NỀN CHO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG NHỰA MỎNG
NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP - 2580208
Trang 3BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN PHÚ DUY
SỬ DỤNG BISAR – GAs DỰ ĐỐN MƠ ĐUN CBR
CỦA ĐẤT NỀN CHO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG NHỰA MỎNG
NGÀNH: KT XÂY DỰNG CT DD & CN - 2580208
Hướng dẫn khoa học: TS LÊ ANH THẮNG
Trang 4
i
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: NGUYỄN PHÚ DUY Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 12/08/1991 Nơi sinh: An Xuyên, Cà Mau
Quê quán: An Xuyên, Cà Mau Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Chung cư Bình Trưng, đường Nguyễn Duy Trinh, phường Bình Trưng Đơng, Quận 2, Thành Phố Hồ Chí Minh
Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0943.855.588
Fax: E-mail: nguyenphuduy.91@gmail.com
II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1 Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……
Nơi học (trường, thành phố): Ngành học:
2 Đại học:
Hệ đào tạo: Đại học chính quy Thời gian đào tạo từ 08/ 2009 đến 08/ 2013 Nơi học (trường, thành phố): Trường ĐH Cửu Long, tỉnh Vĩnh Long
Ngành học: Công nghệ kỹ thuật cơng trình xây dựng
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế Chung Cư Lô C, Phường 9, Quận 3, Thành phố Hồ Chí Minh
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Bảo vệ đồ án tốt nghiệp vào ngày 24 tháng 08 năm 2013, tại Trường ĐH Cửu Long
Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Văn Kiệp
III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm
Trang 5ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên: Nguyễn Phú Duy, là học viên cao học ngành Kỹ thuật cơng trình dân dụng và công nghiệp xin cam đoan đề tài “Sử dụng Bisar-GAs dự đốn mơ đun CBR của đất nền cho kết cấu áo đường nhựa mỏng” là cơng trình nghiên cứu của tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác
Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 03 năm 2016
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
Trang 6iii
LỜI CẢM TẠ
Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự quan tâm và giúp đỡ rất nhiệt tình của quý thầy cô ở khoa và quý thầy cô trong ban giám hiệu của trường Đại học sư phạm kỹ thuật, nhân đây xin gửi đến quý thầy cô
Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, ngoài sự cố gắng của bản thân, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Lê Anh Thắng, là người chịu trách nhiệm trực tiếp hướng đẫn và truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báo trong quá trình nghiên cứu
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, dù đã rất cố gắng hoàn thành tốt nhất, nhưng vì là lần nghiên cứu đầu tiên nên tơi khơng tránh khỏi những thiếu sót Rất mong sự thơng cảm và đóng góp từ q thầy cơ để luận văn của tơi có thể hồn thành tốt hơn Xin chân thành cám ơn!
Học viên Nguyễn Phú Duy
Trang 7iv
TĨM TẮT
Thí nghiệm FWD hiên đang được sử dụng và nghiên cứu rộng rãi trên tồn thế giới Kết quả thu được từ thí nghiệm này là mô đun đàn hồi của các lớp kết cấu áo đường, dự đoán dựa vào bề mặt võng dưới một lực gây ra bởi vật nặng rơi Mô đun đàn hồi được xác định bằng một chương trình tính tốn ngược Sự kết hợp của chương trình phân tích các lớp tuyến tính với thuật tốn di truyền, gọi là Bisar-GAs, là một cách tiếp cận của quá trình tính tốn ngược Đây là q trình tiếp cận tốn học, vì vậy độ tin cậy của phương pháp này đang là câu hỏi được đặt ra cho nhiều nhà nghiên cứu kết cấu áo đường
Mục tiêu của nghiên cứu này là so sánh mô đun đàn hồi của kết cấu áo đường dự đoán từ Bisar-GAs và các phương pháp thí nghiệm khác Bên cạnh kết quả từ phịng thí nghiệm, các kết quả từ các phương pháp thí nghiệm khơng phá hủy mẫu như: thí nghiệm sóng âm (SPA), thí nghiệm xun cơn tiêu chuẩn (DCP) cũng được sử dụng so sánh Các kết quả thí nghiệm thu được từ Trung tâm nghiên cứu giao thồng vận tải (CTR) và Đại học Texac ở EI Paso (UTEP) được sử dụng trong nghiên cứu
Trang 8v
ABSTRACT
FWD testing are currently used and studied worldwide Results obtained from experiments are the elastic modulus of pavement structure layers, estimated based on deflection surface under a load caused by falling heavy object Elastic moduli are determined by a backcalculation program Combination of a series linear layers analysis program such as Bisar and genetic algorithm, which called as Bisar-GAs, is an approach of the backcalculation process This process is a mathematic approach, so the reliability of the approach is a question of several pavement researchers
The goal of this study was a comparison process between elastic moduli of a pavement structure estimated by Bisar-GAs and other testing methods Besides laboratory testing results, result values of several nondestructive testing (NDT) methods considered in this study including Falling Weight Deflectometer (FWD), Seismic Pavement Analyzer (SPA) and Dynamic Cone Penetration (DCP) are used in comparesion The experimental results obtained from the Center for Transportation Research (CTR) and those of The University of Texas at El Paso (UTEP) were used in the study
Trang 9vi
MỤC LỤC
Trang tựa TRANG
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học i
Lời cam đoan ii
Lời cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách các hình x Danh sách các bảng xii Chương 1: TỔNG QUAN 1
1.1 Tổng quan nghiên cứu và mục đích chọn đề tài 1
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 4
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 4
1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 5
1.3 Khách thể và đối tương nghiên cứu 7
1.4 Giả thuyết nghiên cứu 7
1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 8
1.6 Độ tin cậy của đề tài 8
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10
2.1 Phương pháp thí nghiệm trong phịng (Laboratory - LAB) 11
2.1.1 Thí nghiệm nén ba trục động (tải trọng lặp) 11
2.1.2 Chương trình máy tính Kenlayer 14
2.2 Phương pháp thí nghiệm khơng phá hủy mẫu 17
2.2.1 Thí nghiệm xuyên động (Falling Weight Deflectometer - FWD) 17
2.2.1.1 Thí nghiệm xuyên động FWD 17
Trang 10vii
AASHTO 1993 của liên ban Hoa Kỳ 27
2.2.2 Thí nghiệm sóng âm (Seismic Pavement Analyzer - SPA) 30
2.2.2.1 Thí nghiệm sóng âm - SPA 30
2.2.2.2 Mơ hình điều chỉnh giá trị mơ đun từ thí nghiệm SPA 33
2.2.3 Thí nghiệm xun cơn tiêu chuẩn (The Dynamic Cone Penetration - DCP) 35
2.3 Ưu và nhược điểm của các phương pháp thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi 40
2.4 Lý thuyết xác suất thống kê 41
2.5 Phương pháp nghiên cứu 42
Chương 3: TIẾN TRÌNH XÁC ĐỊNH MƠ ĐUN ĐÀN HỒI TỪ CÁC THÍ NGHIỆM KHÁC NHAU 43
3.1 Kết cấu áo đường và lựa chọn vị trí 43
3.2 Thí nghiệm trong phịng LAB 44
3.2.1 Yêu cầu lấy mẫu 44
3.2.2 Thí nghiệm nén ba trục (tải trọng lặp) 45
3.2.3 Xác định mô đun của kết cấu thông qua chương trình Kenlayer 45
3.3 Thí nghiệm tải động FWD 46
3.3.1 Kết quả từ thí nghiệm FWD 46
3.3.2 Sử dụng Bisar-GAs để dự đốn mơ đun của kết cấu áo đường 46
3.3.3 Giá trị mô đun của lớp đất nền từ tiêu chuẩn thiết kế mặt đường 48
3.4 Thí nghiệm sóng âm - SPA 48
3.5 Thí nghiệm xun cơn tiêu chuẩn - DCP 49
3.6 So sánh giá trị mơ đun của các phương pháp thí nghiệm 51
3.6.1 Phương pháp thí nghiệm phá hoại mẫu trong phịng và phương pháp thí nghiệm khơng phá hoại mẫu ngồi thực tế 51
3.6.2 Các phương pháp khơng phá hủy mẫu ngoài thực tế 52
Chương 4: TỔNG HỢP KHẢO SÁT, SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ 56
Trang 11viii
4.2 So sánh mơ đun đàn hồi giữa thí nghiệm trong phịng thí nghiệm và
phương pháp thí nghiệm khơng phá hủy mẫu ngoài thực tế 57
4.3 So sánh mơ đun đàn hồi của các phương pháp thí nghiệm khơng phá hủy mẫu ngồi thực tế 59
4.3.1 So sánh giá trị mơ đun từ thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs và tính tốn từ tiêu chuẩn thiết kết 59
4.3.2 So sánh giá trị mơ đun từ thí nghiệm SPA với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 60
4.3.3 So sánh giá trị mơ đun từ thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 63
4.4 Đánh giá độ tin cậy của các phương pháp thí nghiệm 65
4.4.1 Thí nghiệm trong phịng thí nghiệm với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs trên lớp đá (base) 66
4.4.2 Thí nghiệm SPA với Thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 67
4.4.2.1 Lớp Bê tông nhựa (AC) 67
4.4.2.2 Lớp đá cấp phối (Base) 68
4.4.2.3 Lớp đất nền (Subgrade) 69
4.4.3 Thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 70
4.4.3.1 Lớp đá cấp phối (Base) 70
4.4.3.2 Lớp đất nền (Subgrade) 71
4.5 Nhận xét 72
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 75
5.1 Kết luận 75
5.2 Khuyến nghị 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
Phụ lục A: Toán đồ xác định tỷ số EP/MR 82
Phụ lục B: Kết quả điển hình từ chương trình Kenlayer 83
Trang 12ix
Trang 13x
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH TRANG
Hình 1.1: Tóm tắt tiến trình thực hiện luận văn 6
Hình 2.1: Chu kỳ thí nghiệm tác dụng lên mẫu 12
Hình 2.2: Giao diện chương trình Kenpave-Kenlayer 15
Hình 2.3: Giao diện Main Menu của Kenlayer 15
Hình 2.4: Thơng tin mơ hình kết cấu áo đường 16
Hình 2.5: Khai báo thơng số chiều dày lớp, hệ số poisson 16
Hình 2.6: Khai báo loại tải tác dụng và giá trị tải 16
Hình 2.7: Thiết bị thí nghiệm khơng phá hủy FWD 17
Hình 2.8: Vùng ứng suất trong kết cấu áo đường dưới tác dụng tải trọng 18
Hình 2.9: Sơ đồ tải trọng tác dụng FWD và độ võng 18
Hình 2.10: Bộ tạo xung lực gồm tải trọng, thanh dẫn, bộ phận giảm chấn 18
Hình 2.11: Tấm ép truyền tải trọng tác động xuống mặt đường 19
Hình 2.12: Các đầu cảm biến của thiết bị FWD 20
Hình 2.13: Hệ thống lưu trữ và thiết bị thí nghiệm 21
Hình 2.14: Thơng tin thí nghiệm hiển thị trên màn hình 21
Hình 2.15: Hình dạng độ võng dạng phễu lún vẽ được từ thí nghiệm FWD 21
Hình 2.16: NST của bài tốn ba lớp, ba biến được trình bày dạng mã nhị phân 24 Hình 2.17: Sơ đồ tính tốn của chương trình Bisar-GAs 24
Hình 2.18: Khai báo tải trọng rơi và đường kính tấm ép trong Bisar-GAs 25
Hình 2.19: Khai báo chiều dày, hệ số possion và giới hạn mô đun từng lớp 26
Hình 2.20: Số lượng và khoảng cách đầu dị (sensor) độ võng 26
Hình 2.21: Khai báo độ võng ứng đầu dò (sensor) 26
Hình 2.22: Tiến hành cho máy tính phân tích và tính tốn 27
Hình 2.23: Kết quả hiển thị của mơ hình Bisar-GAs 28
Hình 2.24: Sơ đồ tính tốn giá trị mơ đun đàn hồi lớp nền 30
Trang 14xi
Hình 2.26: Bộ chuyển đổi và khoảng cách búa trong thí nghiệm SPA 32
Hình 2.27: Cấu tạo thành phần chính trong thiết bị của thí nghiệm SPA 32
Hình 2.28: Chương trình máy tính trong thí nghiệm SPA 33
Hình 2.29: Đường cong tán sắc ghi nhận trong chương trình máy tính 33
Hình 2.30: Biểu đồ quan hệ biến dạng và ứng suất của vật liệu 35
Hình 2.31: Mơ hình điều chỉnh mơ đun thí nghiệm SPA 36
Hình 2.32: Cấu tạo thiết bị thí nghiệm DCP 37
Hình 2.33: Tiến trình thực hiện thí nghiệm DCP 37
Hình 2.34: u cầu số nhân lực tiến hành thí nghiệm DCP 38
Hình 2.35: Xử lý lớp bê tơng nhựa trước khi thí nghiệm DCP 39
Hình 2.36: Kết quả thí nghiệm DCP trình bày dạng biểu đồ quan hệ 39
Hình 4.1: Tỷ số mơ đun của thí nghiệm LAB với thí nghiệm FWD 59
Hình 4.2: Tỷ số mơ đun lớp đất nền của thí nghiệm FWD sử dụng chương trình Bisar-GAs và tính lặp từ tiêu chuẩn thiết kế 61
Hình 4.3: Tỷ số mơ đun lớp bê tơng nhựa từ thí nghiệm SPA với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 62
Hình 4.4: Tỷ số mơ đun lớp đá của thí nghiệm FWD và thí nghiệm SPA 63
Hình 4.5: Tỷ số mơ đun đất nền của thí nghiệm SPA với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 63
Hình 4.6: Tỷ số mơ đun lớp đá cấp phối của thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 65
Trang 15xii
DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG TRANG
Bảng 2.1: Trình tự thí nghiệm xác định mơ đun đàn hồi của mẫu 13
Bảng 2.2: Phạm vi tham số đề suất tham số trong Bisar-GAs 25
Bảng 2.3: Phạm vi mô đun sử dụng trong Bisar-GAs 25
Bảng 2.4: Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp dự đốn mơ đun 41
Bảng 3.1: Chiều dày kết cấu áo đường và tải trọng tác dụng 44
Bảng 3.2: Hệ số mơ hình thí nghiệm trong phịng thí nghiệm 46
Bảng 3.3: Thông số đầu vào và giá trị mô đun từ mơ hình Kenlayer 46
Bảng 3.4: Kết quả từ thí nghiệm xuyên động FWD 47
Bảng 3.5: Giá trị mơ đun thu được từ thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 48
Bảng 3.6: Thông số kết cấu và gí trị mơ đun từ Bisar-GAs 48
Bảng 3.7: Giá trị mô đun xác định theo tiêu chuẩn thiết kế 49
Bảng 3.8: Giá trị mô đun thu được từ thí nghiệm sóng âm SPA 50
Bảng 3.9: Kết quả thí nghiệm xun cơn tiêu chuẩn DCP 50
Bảng 3.10: Giá trị mô đun thu được từ thí nghiệm DCP 51
Bảng 3.11: So sánh mơ đun thí nghiệm FWD và thí nghiệm LAB 52
Bảng 3.12: So sánh mô đun lớp bê tơng nhựa giữa thí nghiệm FWD và thí nghiệm SPA 53
Bảng 3.13: So sánh mô đun lớp đá (đá vơi) giữa thí nghiệm FWD với thí nghiệm SPA và thí nghiệm DCP 54
Bảng 3.14: So sánh mơ đun lớp đất nền giữa thí nghiệm FWD và thí nghiệm SPA 55
Bảng 3.15: So sánh mơ đun lớp đất nền giữa thí nghiệm FWD với tiêu chuẩn thiết kế và thí nghiệm DCP 55
Bảng 3.16: Tổng hợp mô đunvà tỷ số đại điện cho các thí nghiệm 56
Bảng 4.1: Vị trí và chiều dày các lớp của kết cấu ở các khu vực 57
Trang 16xiii
Bảng 4.3: Hệ số mơ hình thí nghiệm trong phịng thí nghiệm 58
Bảng 4.4: Mơ đun điển hình lớp đá cấp phối theo độ sâu từ thí nghiệm LAB và thí nghiệm FWD 59
Bảng 4.5: Mơ đun điển hình từ thí nghiệm FWD 60
Bảng 4.6: Mô đun lớp đất nền điển hình tính lặp từ tiêu chuẩn thiết kế 61
Bảng 4.7: Mơ đun điển hình từ thí nghiệm SPA 62
Bảng 4.8: Mơ đun điển hình từ thí nghiệm DCP 64
Bảng 4.9: Khoảng kỳ vọng u cầu về xác suất trong tính tốn, thiết kế của các loại đường trong tiêu chuẩn AASHTO 93 66
Bảng 4.10: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số của thí nghiệm LAB và thí nghiệm FWD 67
Bảng 4.11: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số theo vật liệu sử dụng của thí nghiệm LAB và thí nghiệm FWD 67
Bảng 4.12: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mơ đun bê tơng nhựa của thí nghiệm SPA với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 68
Bảng 4.13: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mơ đun lớp đá cấp phối của thí nghiệm FWD sử dụng Bisar và thí nghiệm SPA 69
Bảng 4.14: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mơ đun theo vật liệu của thí nghiệm FWD sử dụng Bisar và thí nghiệm SPA 70
Bảng 4.15: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mơ đun đất nền của thí nghiệm SPA với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 71
Bảng 4.16: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mơ đun lớp đá cấp phối của thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 72
Bảng 4.17: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mơ đun theo vật liệu của thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 72
Bảng 4.18: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mơ đun đất nền của thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 73
Trang 171
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan nghiên cứu và mục đích chọn đề tài
Trong ngành xây dựng nói chung và xây dựng cầu đường nói riêng thì yếu tố cường độ là quan trọng nhất Áo đường được xem là đủ cường độ nếu như dưới tác dụng của tải trọng do xe chạy trong suốt thời gian đã định mà nó vẫn giữ tính tồn khối và độ bằng phẳng của bề mặt
Cường độ mặt đường mềm sẽ bị phá hoại theo các điều kiện sau:
- Phát sinh các biến dạng dư khi xãy ra phá hoại sự cân bằng giới hạn về trượt trong đất nền và các lớp vật liệu kém dính kết của kết cấu áo đường
- Phát sinh ứng suất kéo khi vượt quá giới hạn bền gây ra các vết nứt trong các lớp toàn khối của cả kết cấu áo đường
Trang 182
Hiện nay, đo độ võng đàn hồi (hay mô đun đàn hồi) là một tiêu chuẩn trạng thái giới hạn chủ yếu của áo đường khi thử nghiệm chúng Điểm cơ bản của tiêu chuẩn này là việc đo được các trị số đó khá đơn giản trong những điều kiện hiện trường Để đánh giá năng lực chịu tải của kết cấu áo đường thường dùng hai phương pháp chính là: Phương pháp phá hoại mẫu và phương pháp không phá hoại mẫu
Phương pháp phá hoại mẫu: theo phương pháp này, người ta tiến hành khoan lấy mẫu trong các lớp kết cấu của các lớp kết cấu mặt đường rồi thơng qua các thí nghiệm trong phịng để xác định các thơng số tính tốn, từ đó dự báo khả năng chịu tải của kết cấu Do không thể lấy quá nhiều mẫu trên mặt đường nên các thơng số phản ánh tình trạng mặt đường thơng qua các thí nghiệm thường mang tính cục bộ nhất định, phương pháp này tốn thời gian và chi phí thí nghiệm
Phương pháp đánh giá khơng phá hoại mẫu: đánh giá theo phương pháp không phá hoại mẫu thường được tiến hành bằng cách đo độ võng trên bề mặt đường hay chỉ số CBR để dự đoán giá trị mơ đun và tính được khả năng chịu tải của kết cấu mặt đường Các phương pháp như: thí nghiệm tải động (FWD), thí nghiệm sóng âm (SPA), thí nghiệm xun cơn tiêu chuẩn (DCP)
Tuy nhiên, để đưa các giá trị mô đun từ phương pháp đánh giá không phá hoại mẫu vào sử dụng trong thiết kế, sửa chữa hay dự đoán tuổi thọ mặt đường thì địi hỏi có sự so sánh, đánh giá sự nhất quán trong giá trị mô đun của hai phương pháp Trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề này Nhưng chủ yếu là so sánh thí nghiệm tải động FWD và thí nghiệm trong phịng và chủ yếu tập trung ở lớp đất nền (subgrade) như: K P Greorge (2003) [7]; Biqing Sheng (2010) [8] và Daehyeon Kim, Yigong Ji, Nayyar Zia Siddiki (2010) [9]
Trang 193
Marwan F Aouad, Kenneth H Stokoe and Jose M Roesset (1993) cho rằng mô đun của thí nghiệm SASW lớn hơn mơ đun từ thí nghiệm FWD và khuyến cáo tỷ số của hai thí nghiệm trong nghiên cứu của mình là 0,75; [10]
Jian-Neng Wang, Ph.D, John Bilyeu, Dar-Hao Chen, Ph.D., P.E (2001) cho rằng mơ đun trong phịng thí nghiệm lớn hơn mơ đun thí nghiệm DCP và mơ đun thí nghiệm FWD, mô đun lớp đá cấp phối (base) và lớp đất nền (subgrade) của thí nghiệm SASW lớn hơn thí nghiệm FWD tương ứng là 1,2 và 2,3 lần; [11]
Norman Dennis, Ph.D., P.E., Kevin D Hall, Ph.D., and Sutapa Hazra, Ph.D (2012) đưa ra mối tương quan của các thí nghiệm với nhau và nhận thấy thí nghiệm FWD dự đốn mơ đun tốt nhất, tiếp đến là thí nghiệm DCP; khơng có mối tương quan tương ứng của thí nghiệm SASW với thí nghiệm phá hoại mẫu trong phịng thí nghiệm [12]
Ở nước ta, cũng sử dụng hai phương pháp chính trong dự đốn mô đun đàn hồi của kết cấu áo đường Nhưng chỉ dừng lại ở việc so sánh, đánh giá thí nghiệm FWD sử dụng cơng cụ tính tốn ngược với thí nghiệm trong phịng đồng thời dự đốn mơ đun cho quá trình thiết kế, sửa chữa và xác định tuổi thọ cơng trình Tin tưởng tuyệt đối và chỉ sử dụng phương pháp thí nghiệm FWD là tiền đề dự đốn mơ đun khơng phá hoại mẫu như:
TS Trần Thị Kim Đăng (2007) ứng dụng kết quả thí nghiệm FWD để tính tốn mơ đun đàn hồi các lớp áo đường mềm; [4]
Đề tài nghiện cứu của Nguyễn Hữu Hưng và Nguyễn Mạnh Hùng (2003) dùng thiết bị FWD để tính tốn mơ đun vật liệu; [6]
TS Nguyễn Hữu Trí (2003) dùng thiết bị tải động FWD để dự báo tuổi thọ mặt đường; [5]
TS Lê Anh Thắng và ThS Bùi Anh Dũng (2013) thiết lập cơng cụ tính tốn ngược (backcalculation) GAs từ kết quả thí nghiệm FWD và so sánh Bisar-GAs với các phần mềm tính tốn ngược khác [2][3]
Trang 204
phương pháp không phá hoại mẫu chưa đưa đến nhận định rõ rằng các nghiên cứu đa phần trên lớp đất nền, một vài trên lớp đá cấp phối nên việc dự đốn khơng khả quan Ở Việt Nam, đa phần chưa nhiều nghiên cứu về vấn đề này, nên sự áp dụng công nghệ và so sánh các phương pháp thí nghiệm khơng phá hoại mẫu cịn khó khăn, chủ yếu tin tưởng vào nghiên cứu và nhận định của nước ngoài gây nên sự xáo trộn trong nhận định thật về mô đun thực tế của các kết cấu áo đường ở những khu vực, quốc gia khác nhau Và đó cũng là lý do tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu
Từ những nhận xét trên, mục tiêu của nghiên cứu đề ra là:
- Khẳng định mối tương quan của hai phương pháp dự đoán mô đun được xác định trên môi quan hệ của thí nghiệm FWD sử dụng mơ hình tính tốn ngược Bisar-GAs và thí nghiệm trong phịng thí nghiệm trên lớp đá cấp phối với một số loại vật liệu khác nhau;
- Tạo mối liên hệ của các phương pháp thí nghiệm khơng phá hủy được các nhà nghiên cứu cho rằng khơng có một mối tương quan nào thích hợp, nghiên cứu này thể hiện mối liên hệ các thí nghiệm thơng qua hệ số qui đổi với độ tin cậy xác suất thống kê từ các thí nghiệm thực tế;
- Ứng dụng mơ hình chương trình Bisar-GAs, một mơ hình tính tốn ngược từ thí nghiệm FWD với kết quả tính lặp lớp đất nền của tiêu chuẩn thiết kế áo đường và các thí nghiệm dự đốn mơ đun khác;
Trang 215
1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đề ra, nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm các việc làm sau:
- Chọn lọc và sử dụng các số liệu từ thí nghiệm trong phịng thí nghiệm; các thí nghiệm khơng phá hoại mẫu: thí nghiệm tải động FWD, thí nghiệm sóng âm SPA và thí nghiệm xun cơn tiêu chuẩn DCP;
- Sử dụng mơ hình tính tốn ngược Bisar-GAs để dự đốn mơ đun các lớp kết cấu từ thí nghiệm FWD Thực hiện tính tốn và so sánh đánh giá trên nhiều khu vực, nhiều vị trí trong mỗi khu vực, và nhiều độ sâu khác nhau trong từng vị trí;
- Xác định mô đun lớp đất nền thiết kế từ tiêu chuẩn ngành (tiêu chuẩn 22TCN 355-06 và tiêu chuẩn AASHTO 93);
- Xác định mô đun từ thí nghiệm xun cơn tiêu chuẩn DCP;
- Tiến hành tổng hợp, so sánh, lập tỷ số giữa các thí nghiệm với nhau theo lớp và theo loại vật liệu của kết cấu áo đường;
- Sử dụng lý thuyết xác suất thống kê để xác định hệ số qui đổi, theo độ tin cậy kỳ vọng, giữa các thí nghiệm
Trang 226
SƠ ĐỒ TRÌNH TỰ THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU LUẬN VĂN
GHI CHÚ:
So sánh mô đun các lớp trong kết cấu áo đường (lớp bê tông nhựa, lớp đá cấp phối, lớp đất nền); Vật liệu sử dụng lớp đá cấp phối: đá vơi (limestone), trầm tích (caliche), quặng sắt (Iron-Ore)
Hình 1.1: Tóm tắt tiến trình thực hiện của luận văn.
THÍ NGHIỆM FWD SỬ DỤNG BISAR-GAs THÍ NGHIỆM
SĨNG ÂM – SASW (SPA)
THÍ NGHIỆM
TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM – LAB SỬ DỤNG KENLAYER
THÍ NGHIỆM XUN CƠN - DCP
TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 22TCN 355-06 VÀ AASHTO 93
Trang 237
1.3 Khách thể và đối tượng nghiên cứu
Khách thể nghiên cứu: kết cấu áo đường của 8 khu vực khảo sát thu thập từ một phần của dự án 1177 của trung tâm nghiên cứu gia thông vận tải (CTR) và trường đại học Texas tại EI Paso (UTEP), lớp đá cấp phối (base) được sử dụng là vật liệu lấy từ mỏ đá và đã đưa vào sử dụng 2 – 3 năm
Đối tương nghiên cứu của đề tài này bao gồm:
- Sử dụng cơng cụ tính tốn ngược Bisar-GAs để dự đốn mơ đun và so sánh với mơ hình tính tốn lặp lớp đất nền của các tiêu chuẩn thiết kế từ kết quả thí nghiệm FWD;
- Mối tương quan trong giá trị mô đun của một số vật liệu sử dụng làm lớp đá cấp phối (base) giữa thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs với thí nghiệm mẫu trong phịng thí nghiệm;
- Đưa ra tỷ số với độ tin cậy từ tỷ số các giá trị mơ đun của thí nghiệm FWD, thí nghiệm SPA và thí nghiệm DCP Từ đó, đề xuất ra hệ số qui đổi của các phương pháp thí nghiệm dự đốn mơ đun ngồi thực tế
1.4 Giả thuyết nghiên cứu
Đa phần các nghiên cứu trước đây tập trung vào nghiên cứu lớp đất nền, một số nghiên cứu khác nghiên cứu lớp đá cấp phối nhưng chỉ thể hiện qua hệ số chung Tuy nhiên, vật liệu sử dụng làm lớp đá cấp phối rất đa dạng nên có ứng xử vật liệu khác nhau, dẫn đến những ảnh hưởng trong q trình dự đốn giá trị mơ đun
Về bản chất các thí nghiệm khơng phá hoại mẫu đều như nhau và mục đích chung là dự đốn mơ đun các lớp của kết cấu áo đường, nên các phương pháp này sẽ có mối liên hệ với nhau
Trang 248
1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Phát triển một cơng cụ tính tốn ngược Bisar-GAs hỗ trợ cho thí nghiệm FWD trong việc dự đốn mô đun của kết cấu áo đường;
- Thể hiện được một số mối tương quan trong giá trị mô đun lớp đá cấp phối của thí nghiệm FWD với thí nghiệm phá hoại mẫu trong phịng thí nghiệm;
- Thể hiện mối liên hệ của các phương pháp đánh giá không phá hoại mẫu trên tỷ số qui đổi với độ tin cậy trong mối liên hệ các giá trị mơ đun;
- Đưa ra một các nhìn trực quan về mô đun thiết kế và mô đun thực của kết cấu làm việc ngoài thực tế;
- Giúp cho các kỹ sư Việt Nam nhận thức rõ mối liên hệ giữa các phương pháp dự đoán giá trị mơ đun khác nhau Từ đó, nhận thức được giá trị mô đun sử dụng để thiết kế
1.6 Độ tin cậy của đề tài
Kết cấu áo đường là hệ đàn hồi nhiều lớp hết sức phức tạp, việc giải bài tốn hệ đàn hồi nhiều lớp để tìm ra hàm ứng suất – biến dạng là hết sức khó khăn Trước đây do cơng cụ tính tốn chưa phát triển, để đơn giản cho việc tính tốn người ta thường qui đổi hệ nhiều lớp về hệ 2, 3 lớp để giải nên sai số rất lớn Với việc phát triển của khoa học và công nghệ như ngày nay, đặc biệt là máy tính đã góp phần giảm nhẹ khối lượng tính tốn và có thể giải những bài tốn gần đúng
Chương trình tính tốn ngược Bisar-GAs là một công cụ kết hợp của chương trình Bisar 3.0, một phần mềm phổ biến trong tính toán kết cấu áo đường và thuật toán di truyền (Genetic Algorithm–GA) để tìm lời giải tối ưu Trong đó, chương trình Bisar 3.0 là chương trình được sử dung rộng rãi trong các nghiên cứu nước ngoài như:Stefan A Romanoschi and John B Metcalf (2002) [15]; Jianfeng Qin (2010) [13], tập sách “Nondestructive testing of pavements and backcalculation moduli” số phát hành 1198 [14], v.v
Trang 259
Độ tin cậy của chương trình Bisar-GAs được so sánh với các chương trình tính tốn ngược khác như Michback, Elmod6.0 và Bakfaa cho thấy Bisar-GAs cho kết q tính tốn hợp lý và sai số nhỏ hơn các chương trình khác [3]
Số liệu các thí nghiệm và nội dung cơ sở lý thuyết sử dụng trong đề tài được trích dẫn từ các tiêu chuẩn trong và ngoài nước hay nguồn đáng tin cậy
Trang 2610
Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Ngày nay, khoa học và công nghệ phát triển, con người ln tìm ra nhưng phương pháp, cách thức hay con đường khác nhau để giải quyết một vấn đề Ngành xây dựng cũng là ngành tiên tiến hàng đầu trong việc áp dụng khoa học kỹ thuật, trong đó có ngành xây dựng cầu đường Để nhằm mục đích thiết kế xây dựng, sửa chữa hay dự đốn tuổi thọ của kết cấu áo đường mà đích đến cuối cùng là xác định giá trị mô đun của kết cấu áo đường đang là một bài toán khó của các kỹ sư
Có nhiều cách thức xác định giá trị mô đun của kết cấu áo đường khác nhau như: xác định giá trị mô đun đàn hồi của kết cấu áo đường trong phịng thí nghiệm(thí nghiệm phá hủy mẫu); xác định giá trị mơ đun của kết cấu áo đường từ thí nghiệm thực tế (thí nghiệm khơng phá hủy mẫu) như: thí nghiệm tải động FWD, thí nghiệm sóng âm SPA và thí nghiệm xun cơn tiêu chuẩn DCP, v.v
Các thí nghiệm xác định giá trị mô đun đàn hồi trong phịng thí nghiệm cũng có sự khác biệt khá rõ rệt so với các thí nghiệm xác định mơ đun khác ngồi thực tế Sự khác biệt này có thể do: mẫu bị xáo trộn, mất liên kết trong kết cấu, không đảm bảo môi trường làm việc của kết cấu, trong q trình kiểm tra và thí nghiệm,v.v được Anderson D.G and Woods R.D (1975) đề cập trong nghiên cứu [16]
Nhìn chung, hai phương pháp dự đốn mơ đun đàn hồi của các lớp áo đường đều thực hiện được trên cả hai loại kết cấu áo đường nhựa mỏng và áo đường nhựa dày Tuy nhiên, các số liệu được thực hiện trong nghiên cứu đa số là kết cấu áo đường nhựa mỏng Kết cấu áo đường được xem là kết cấu áo đường nhựa mỏng, trung hay dày tùy thuộc vào độ dày của lớp bê tông nhựa bên trên:
Trang 2711
2.1 Phương pháp thí nghiệm trong phịng (Laboratory-LAB)
Việc đánh giá mơ đun trong phịng thí nghiệm là hết sức quan trọng vì đây được coi là quá trình đánh giá khá chính xác giá trị mơ đun và nêu rõ bản chất của kết cấu áo đường nhất Mẫu thí nghiệm được lấy từ hiện trường và được bảo quản hết sức kỹ lưỡng để đảm bảo đúng các giá trị sơ khai của kết cấu áo đường như độ ẩm, độ bán dính của các hạt cốt liệu, nhiệt độ, v.v Thí nghiệm tiến hành trong mơi trường giả lặp giống như môi trường làm việc thực tế của kết cấu
2.2.1 Thí nghiệm nén ba trục (tải trọng lặp).
Thí nghiệm nén ba trục (Triaxial Compresion Test – TCT) được Casagrande phát minh nhằm mục đích hạn chế của thí nghiệm cắt trực tiếp Thí nghiệm nén ba trục cho phép mô tả được nhiều trạng thái ứng suất (gia tải, dỡ tải theo các phương), cũng như ứng xử thực tế của đất nền (thoát nước hay khơng thốt nước) Thí nghiệm nén 3 trục là một trong những thí nghiệm đa dạng nhất trong tất cả các thí nghiệm xác định sức chống cắt của đất sét về chi tiết phức tạp Điều kiện thoát nước kiểm sốt được tất cả các loại đất Có thể nói, thí nghiêm nén 3 trục là thí nghiệm đáng tin cậy nhất để xác định các thông số sức chống cắt, đồng thời cịn có thể xác định được thơng số biến dạng của đất nền
Thí nghiệm được tiến hành trên máy nén 3 trục với mẫu đất hình lăng trụ trịn có chiều cao gấp 2 lần đường kính Kích thước mẫu thơng thường là 38 x 76mm, 50 x 100mm hoặc một số kích thước khác tùy thuộc vào kích thước buồng nén
Trang 2812
Thí nghiệm được tiến hành ít nhất với 3 giá trị áp lực buồng nén ổn định khác nhau Trạng thái ứng suất lúc mẫu đất bị phá hoại sẽ được biểu thị trên hệ trục tọa độ (τ,σ) bằng 3 vòng tròn Mohr, đường tiếp tuyến chung của 3 vòng tròn Mohr là đường chống cắt Mohr – Coulomb Từ đó xác định ra thơng số chống cắt của mẫu đất và các thông số khác
Ở thí nghiệm thí nghiệm nén ba trục (tải trọng lặp), mẫu được thực hiện như thí nghiệm nén 3 trục nhưng áp lực nén dọc trục tác dụng lên mẫu là tải động theo chu kỳ nhất định Một dạng sóng hình sin với thời gian 0.1 giây và nghĩ 0.9 giây, trong suốt chu kỳ kéo dài 1 giây chu kỳ khác lại lặp lại thể hiện Hình 2.1 [17]
Gồm sáu cảm biến dọc trục được đặt ở vị trí một phần ba của mẫu, hai đầu dò đo biến dạng ngang và xác định hệ số poisson Năm chu kỳ được thực hiện cho mỗi mẫu để tối ưu hóa thời gian thí nghiệm cũng như giảm thiểu những kết quả ngoài vi
Hình 2.1: Chu kỳ thí nghiệm tác dụng lên mẫu [30] Khi đó giá trị mơ đun đàn hồi được tính từ cơng thức sau:
dRaxσM =ε (2.1) Ứng suất lệch: diPσ =A (2.2)
Trang 2913 Hệ số poisson được tính: lat
ax
εν =
-ε (2.4)
Ứng suất theo phương ngang lati
Δdε =
d (2.5)
Trong đó: Δdlà biến dạng ngang của mẫu; di là đường kính mẫu Giá trị mơ đun được xác định thông qua ứng suất lệch khác nhau và áp lực buồng khác nhau được thể hiện ở Bảng 2.1 [17]
Bảng 2.1: Trình tự thí nghiệm xác định mơ đun đàn hồi của mẫu
Trình tự Áp lực buồng Ứng suất lệch 1 35 35 2 35 70 3 35 105 4 70 35 5 70 70 6 70 105 7 105 140 8 105 35 9 105 70 10 105 105 11 105 140 12 105 210
Giá trị mô đun đàn hồi cuối cùng được xác định theo công thức sau:
3
2k
k
R1 dc
M = kσ σ (2.6)
Trong đó: σd và σc là ứng suất lệch và áp lực buồng tác dụng vào mẫu trong q trình thí nghiệm Các hệ số k1, k2, k3 là các hệ số được xác định khi thống kê các mẫu thí nghiệm Áp lực buồng: 0cv1+2kσ = σ3 (2.7)
Trang 3014
2.1.2 Chương trình máy tính Kenlayer
Theo phương trình 2.6, giá trị mơ đun phải được tính tốn tại một áp lực buồng nhất định và ứng suất lệch nhất định Để xác định những ứng suất, mơ hình chương trình máy tính về lớp đàn hồi Kenlayer do Huang (1994) phát minh đã được sử dụng.Kenlayer cho phép mơ hình hóa các ứng xử phi tuyến đàn hồi của một hệ thống các lớp áo đường và phân tích, ước lượng tình trạng ứng suất của khối kết cấu dưới tải tác dụng Trong đó, mơđun (Ei), độ dày và tỷ lệ poisson (ν) của từng lớp, cũng như các tải tác dụng là thông số đầu vào Các kết quả đầu ra của chương trình là những ứng suất tại bất kỳ thời điểm yêu cầu Các tải trọng đầu vào đã được giả định là một tiêu chuẩn kép song song của xe tải [18]
Các đặc điểm chính của mơ hình Kenlayer liên quan đến trạng thái ứng suất: - Phân tích đàn hồi của hệ thống nhiều lớp, cho phép xây dựng mơ hình hệ thống áo đường khác nhau bao gồm một vài lớp, với độ dày, mô đun đàn hồi và tỷ lệ poisson khác nhau;
- Cho phép phân tích ứng suất do sự chồng chất áp lực trên nhiều tải trọng phân bố của các loại xe có mộ trục đơn, hai trục hay ba trục;
- Phân tích ứng xử của kết cấu bằng các xem xét các biến thể của mô đun đối với trạng thái ứng suất;
- Điểm để xác định những ứng suất có thể được biểu diễn trong tọa độ radian hoặc tọa độ descartes
Mơ hình phân tích Kenlayer là một q trình tính tốn lặp đi lặp lại, trong đó các mô đun ban đầu là một giá trị mẫu và được đánh giá trong phiên đầu tiên, nếu có một sự khác biệt giữa các mô đun mẫu và một trong những tính tốn thì q trình tính tốn được lặp đi lặp lại, cho đến khi các mô đun đàn hồi tụ với giá trị trước đó
Trang 3115
Hình 2.2: Giao diện chương trình Kenpave-Kenlayer.[18]
Ở Hình 2.3, tiến trình nhập vào Kenlayer các điều kiện một mơ hình kết cấu áo đường như: mơ hình kết cấu, vị trí lấy kết quả, chiều dày lớp, bề mặt tiếp xúc các lớp, loại tải trọng tác dụng, loại ứng xử, xem Hình 2.3 đến Hình 2.6
Hình 2.3: Giao diện Main Menu của Kenlayer.[18]
Trang 3216
Hình 2.4: Thơng tin mơ hình kết cấu áo đường.[18]
Hình 2.5: Khai báo thơng số chiều dày lớp, hệ số poisson.[18]
Hình 2.6: Khai báo loại tải tác dụng và giá trị tải [18]
Trang 3317
2.2 Phương pháp thí nghiệm khơng phá hoại mẫu
2.2.1 Thí nghiệm tải động (Falling Weight Deflectometer-FWD)
Thí nghiệm tải động FWD được bắt đầu đưa vào sử dụng năm 1983 Hiện nay đang được sử dụng rộng rãi để đánh giá kết cấu áo đường Khi thực hiện thí nghiệm, người ta sẽ biết được độ võng, hình dạng chậu võng của mặt đường, từ đó suy ra mơ đun đàn hồi thực tế của mặt đường và căn cứ vào đó đánh giá kết cấu áo đường
FWD đóng một vai trò rất quan trọng trong việc lựa chọn các chiến lược kết cấu áo đường và phục hồi chức năng tối ưu FWD là một công cụ được sử dụng để đạt được nhanh chóng và lặp lại tại chỗ đặc tính của lớp mặt đường cứng
Hình 2.7: Thiết bị thí nghiệm khơng phá hủy FWD.[14]
2.2.1.1 Thí nghiệm tải động FWD.
Nguyên tắc hoạt động chung của thiết bị:
Tải trọng va đập và tác dụng lên mặt đường do vật nặng có khối lượng nhất định từ độ cao định trước xuống hệ thống đệm cao su và truyền tải xuống mặt đường trọng khoảng thời gian 0,02 giây đến 0,06 giây
Trang 3418
Hình 2.8: Vùng ứng suất trong kết cấu áo đường dưới tác dụng tải trọng [4]
Hình 2.9: Sơ đồ tải trọng tác dụng FWD và độ võng [4] Thiết bị thí nghiệm FWD bao gồm:
Bộ phận tạo xung lực: khối tải trọng được đưa lên độ cao quy định, sau đó rơi tự do thẳng đứng theo một thanh dẫn, đặt vào một tấm ép thơng qua bộ phận giảm chấn lị xo (hoặc sao su), tạo nên một xung lực tác dụng lên mặt đường tại vị trí tấm ép
Thời gian tác dụng của xung lực lên mặt đường phù hợp với điều kiện tác động thực tế của tải trọng lên mặt đường Thông thường, bộ phận giảm chấn được thiết kế có độ cứng phù hợp để đảm bảo thời gian tác dụng của xung lực vào khoảng 0,02 giây đến 0,06 giây
Trang 3519
Tấm ép: truyền tác dụng của tải trọng lên mặt đường có dạng hình trịn, đường kính D = 30 cm Tấm được chế tạo bằng hợp kim, mặt đáy tấm có dán một lớp cao su mỏng, giữa tâm của tấm ép có lỗ rỗng để đạt các cảm biến
Hình 2.11: Tấm ép truyền tải trọng tác động xuống mặt đường [1]
Các cảm biến đo độ võng: để đo độ võng trên mặt đường dưới tác dụng của xung lực Số lượng đầu đo độ võng thông thường là 7 đầu đo, tối thiểu là 5 đầu đo.Các đầu đo độ võng được lắp đặt thẳng hàng trên một giá đõ dọc theo hướng xe đo Có một đầu đo đặt tại tâm tấm ép, các đầu đo khác cách tâm một khoảng quy định Thông thường, khoảng cách các đầu đo là 30cm (khoảng cách giữa các đầu đo đến tâm tấm ép theo thứ tự là 30, 60, 90, 120, 150, 180 cm)
Khi tiên hành đô độ võng bằng thiết bị FWD để xác định mô đun đàn hồi của đất nền đường, vị trí cảm biến đo độ võng có thể thay đổi tùy theo độ cứng và tổng bề dày của kết cấu áo đường, nhưng khoảng cách từ chiếc cảm biến độ võng cuối cùng đến tâm tấm ép phải thỏa mãn điều kiện sau:
c
0,7a
r (2.8)
Trong đó:
r (cm) là khoảng cách từ chiếc cảm biến đo độ võng kề chiếc cảm biến đo độ võng cuối cùng đến tâm tấm ép;
Trang 3620 223a pcrEaDM (2.9) Trong đó: a (cm) là bán kính tấm ép của thiết bị FWD;
D (cm) là tổng chiều dày các lớp trong kết cấu áo đường nằm phía trên đất nền;
EP (MPa) là mô đun đàn hồi hữu hiệu của kết cấu áo đường nằm phía trên đất nền;
Mr (MPa) là mô đun đàn hồi của lớp đất nền, được tính ngược từ các số liệu đo được bằng thiết bị FWD
Hình 2.12: Các đầu cảm biến của thiết bị FWD [1]
Cảm biến đo lực: có khả năng đo được giá trị xung lực lớn nhất tác dụng lên mặt đường tại mỗi lần khối tải trọng rơi Cảm biến đo lực làm việc theo nguyên lý điện trở hoặc hiệu điện thế dòng điện, có độ chính xác cao
Trang 3721
Hình 2.13: Hệ thống lưu trữ và thiết bị thí nghiệm [1]
Hình 2.14: Thơng tin thí nghiệm hiển thị trên màn hình [4]
Kết quả từ chương trình máy tính trong thí nghiệm FWD với các độ võng và đồ thị mô đun chung ứng tại chiều sâu tương đương các khoảng cách đo độ võng
Trang 3822
Từ các dữ liệu đầu vào từ mỗi đầu cảm biến, ta tiến hành tính tốn ngược (backcaculation) Tính tốn ngược là một thủ tục lặp phức tạp trong đó các mơ đun của mỗi lớp mặt đường được xác định.Tính tốn ngược thường được thực hiện bằng cách sử dụng một chương trình máy tính cho giá trị mơ đun từng lớp kết cấu
2.2.1.2 Chương trình thuật tốn Bisar-GAs
Từ thí nghiệm hiện trường FWD cho thấy để tính được mơ đun đàn hồi của kết cấu áo đường thì cần một chương trình tính tốn ngược (backcaculation) Có rất nhiều phương pháp tính tốn mơ đun từ giá trị đầu ra của thí nghiệm FWD như: phần mềm máy tính Modulus, Pedmon, Evercal, Issem4, Modcomp3, Wesdef hay thuật toán mạng Neural (ANN) của Bashar Tarawneh / Munir D Nazzal (2014), phương pháp thuật toán đồng luân của Xudong Zha, Qiuming Xiao(2003), … Ở đây, ta cũng đề cập đến thuật toán di truyền cho bài toán ngược với Bisar 3.0 sử dụng dữ liệu đầu vào từ kết quả thí nghiệm FWD và cho ra giá trị mô đun đàn hồi của kết cấu áo đường
Bisar-GAs được phát triển để xác định mô đun đàn hồi của các lớp kết cấu áo đường khi có tải trọng và độ võng mặt đường, dạng bài tốn ngược,từ thí nghiệm tải động FWD Nó là sự kết hợp của chương trình Bisar 3.0, một phần mềm phổ biến trong tính tốn kết cấu áo đường và thuật toán di truyền (Genetic Algorithm–GA) để tìm lời giải tối ưu Thuật tốn di truyền được dùng để tìm bộ mơ đun đàn hồi tối ưu cho sai số độ võng bé nhất Các tham số của thuật giải di truyền cần được xác định để có kết quả tối ưu tốt cho từng lớp bài toán cụ thể
Mức độ ảnh hưởng của chúng đến sai số độ võng lần lượt được khảo sát Dựa trên kết quả khảo sát, giá trị hợp lý của các tham số được đề xuất Khả năng đáp ứng của chương trình đối với sự thay đổi đặc tính vật liệu trên phạm vi rộng cũng đã được khảo sát Kết quả cho thấy Bisar-GAs có khả năng tìm kiếm kết quả mơ đun đàn hồi trong phạm vi giá trị rộng và với độ chính xác cao
Sơ đồ thuật toán di truyền Bisar-GAs bao gồm:
Trang 3923
Thuật toán di truyền thuộc lớp các thuật giải có sử dụng xác suất, nhưng khác với các thuật giải ngẫu nhiên khác trong cách xử lý
GA kết hợp giữa tìm kiếm trực tiếp và ngẫu nhiên Nó duy trì và xử lý trên một tập các lời giải (gọi là một quần thể) GA có ưu thế riêng so với một số phương pháp tìm kiếm hiện có khác
Trong GA, trị số của các biến chưa biết được mã hoá thành các chuỗi nhiễm sắc thể (NST), mang kí tự 0 và 1, trước khi áp dụng các giải pháp di truyền như lai ghép, hay đột biến để phát sinh ra các trị số mới Hàm mục tiêu được dùng để đánh giá độ tốt của mỗi NST Hàm này còn được gọi là “hàm đánh giá”
1
f = =1
1+RMS (2.10)
Trong đó: f = hàm đánh giá; RMS (Root Mean Square) là bình phương sai số, được xác định như sau:
2mjjj=1 jd -D1RMS=100xm D (2.11)
Trong đó: m là số lượng cảm biến; Dj,dj: độ võng thực đo và độ võng
tính tốn tại vị trí của cảm biến thứ j
Trang 4024
Hình 2.16: NST của bài tốn ba lớp, ba biến được trình bày dạng mã nhị phân [2] Khi một trong hai điều kiện sau được thỏa mãnthì dừng vịng lặp, đạt điều kiện tối ưu Một là khi số thế hệ đạt số thế hệ qui định và điều kiện còn lại là khi bình phương sai số RMS được thoả mãn, được thể hiện ở sơ đồ Hình 2.17
Hình 2.17: Sơ đồ tính tốn của chương trìnhBisar-GAs [2]